de 10, 000ste paper gepubliceerd door Diamond Light Source zou het technologielandschap fundamenteel kunnen veranderen door een nieuwe generatie apparaten mogelijk te maken. Deze studie presenteert een nieuwe manier om naar chiraliteit te kijken in dunne polymeerfilms die belangrijk zijn voor elektronica. Het presenteert ontwrichtende inzichten in chirale polymeerfilms, die circulair gepolariseerd licht uitzenden en absorberen, en biedt de belofte om belangrijke technologische vooruitgang te boeken, inclusief hoogwaardige displays, 3D-beeldvorming en kwantumcomputers. Deze bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Chiraliteit is een fundamentele symmetrie-eigenschap van het universum. We zien linkshandige (LH) en rechtshandige (RH) spiegelbeeldparen in alles, van slakken en kleine moleculen tot gigantische spiraalstelsels. Licht kan ook chiraliteit hebben. Zoals het licht reist, het interne elektrische veld kan naar links of rechts draaien, waardoor een circulaire polarisatie naar links of rechts ontstaat. Het vermogen om deze chirale, circulair gepolariseerd licht biedt kansen in de opto-elektronica van de volgende generatie (figuren 1a en 1b). Echter, de oorsprong van de grote chiroptische effecten in dunne polymeerfilms (figuren 1c en 2) is bijna drie decennia ongrijpbaar gebleven. In dit onderzoek, een groep onderzoekers van het Imperial College London, de Universiteit van Nottingham, de Universiteit van Barcelona, Diamond Light Source en de J.A. Woollam Company maakte gebruik van Diamond's Synchrotron Radiation Circular Dichroism beamline (B23) en de Advanced Light Source in Californië.

"Deze baanbrekende studie laat zien hoe de mogelijkheden van Diamond kunnen worden gebruikt om processen te bestuderen die normaal ver buiten ons bereik plaatsvinden. De bevindingen van het team vormen een routekaart voor het introduceren van chiroptische eigenschappen in meer elektronische apparaten in de toekomst, " zegt professor Laurent Chapon, directeur natuurkunde bij Diamond.

Circulair dichroïsme (CD) kent een verrassend lange geschiedenis. In de 19de eeuw, Franse wetenschappers hebben vastgesteld dat chirale moleculen die niet op hun spiegelbeeld liggen, links en rechts circulair gepolariseerd licht anders absorberen, afhankelijk van hun configuratie (zoals voor L- of D-aminozuren) en ook de handigheid van hun structuur. Tegen de jaren zestig, wetenschappers hadden zich gerealiseerd dat CD buitengewoon nuttig zou kunnen zijn voor de studie van ingewikkelde materiële structuren. Diamond's B23-bundellijn is speciaal voor CD en genereert een unieke sterk gecollimeerde monochromatische microbundel van vacuüm-ultraviolet (UV) tot zichtbaar licht.

Voor deze studie is het onderzoeksteam combineerde ultraviolet CD-onderzoeken bij Diamond met resonante koolstof K-edge zachte röntgenverstrooiingsmetingen bij de Advanced Light Source.

"Met behulp van een combinatie van spectroscopische methoden en structurele sondes, de onderzoekers twijfelden aan de validiteit van de tot dusverre gegevensinterpretatie van deze polymeerfilms, " legt professor Giuliano Siligardi uit, belangrijkste bundellijnwetenschapper op Diamond's B23 bundellijn.

Eerder werd gedacht dat de grote chiroptische effecten die in deze polymeerfilms werden waargenomen, werden veroorzaakt door structurele chiraliteit zoals die wordt waargenomen in de cholesterische vloeibaar-kristallijne fase. Echter, deze studie laat zien dat ze - onder omstandigheden die relevant zijn voor de fabricage van apparaten - in plaats daarvan worden veroorzaakt door magneto-elektrische koppeling die de natuurlijke optische activiteit van deze polymeren genereert.

Dr. Jessica Wade, hoofdauteur van het artikel, zegt, "Deze studie presenteert een nieuwe manier om naar chiraliteit in dunne polymeerfilms te kijken, wat belangrijk is voor elektronica. De ontdekking dat magneto-elektrische koppeling - en niet de structurele chiraliteit op langere afstand - verantwoordelijk is voor de grote chiroptische effecten, zal het rationele ontwerp van polymeren voor een breed scala aan apparaattoepassingen mogelijk maken."

Alle experimenten werden uitgevoerd onder omstandigheden die relevant zijn voor toepassingen in de echte wereld, met actieve laagdiktes ( <200 nm) die de productie van zeer efficiënte elektronica mogelijk maken.

"Onze bevindingen zullen het ontwerp van nieuwe polymeren en apparaatarchitecturen informeren waarbij de chemische structuur en backbone-conformatie zijn geoptimaliseerd om de magneto-elektrische koppeling te maximaliseren, waardoor sterke chiroptische effecten mogelijk zijn zonder de noodzaak van uitlijning en te dikke actieve lagen. De fabricageprotocollen geoptimaliseerd bij B23 - gloeitijd, temperatuur (afb. 2), enz. - hebben al geleid tot de realisatie van zeer efficiënte displays en fotodetectoren, en we blijven deze systemen onderzoeken met de nieuwe Diamond B23 Mueller Matrix Polarimeter (MMP) functionaliteit."

Professor Sir David Stuart, directeur van life science bij Diamond en gezamenlijk hoofd structurele biologie aan de Universiteit van Oxford, zegt, "Als een van de meest geavanceerde wetenschappelijke faciliteiten ter wereld, Diamond streeft ernaar om elke dag wereldveranderende wetenschap mogelijk te maken. Een belangrijk onderdeel van onze missie is om te helpen bij de publicatie van artikelen en resultaten van de experimenten die hier zijn gedaan in het publieke domein. Deze innovatieve 10, 000ste publicatie illustreert het belang van internationale samenwerking tussen wetenschap en faciliteiten, evenals de vitale verbanden tussen fundamenteel onderzoek, toegepaste wetenschap en de technologieën die de mensheid vooruit helpen."